estrutura da matéria -...

Estrutura da MatériaEstrutura da Matéria

Unidade II:A matéria fragmentada

Aula 3:Antes e depois de 1808.

Estrutura Química x Estrutura Física

http://professor.ufabc.edu.br/~pieter.westera/Estrutura.html

Átomos

O átomo é a partícula que representa um determinado elemento químico.O desenvolvimento da Química como ciênciadeu-se ao acatar e desenvolver esse conceito e no trabalho de definir as propriedades físicas e químicas dos mesmos. Nas culturas grega e hindu (há mais de 2500 anos) pregava-se que o Universo era formado de quatro elementos fundamentais: Fogo, ar, terra e água.

Átomos

A menor unidade de uma substância (do grego a-tomo = indivisível).

O conceito vem dos gregos (mas na Índia, o conceito já existia também) e foi fortemente defendido por Newton, Claus, Maxwell e Boltzman.Mas no final do século XIX estava desacreditado.

Atomismo antes de 1808

Inicialmente, conceitos atômicos estavam baseados em considerações filosóficas e não em observações experimentais.

600 a.C. - Kanada (Índia)Considerava que a matéria era composta de quatro tipos de átomos, terra, fogo, ar e água. Átomos poderiam reagir com a ajuda de forças invisíveis (adrsta) e formar moléculasbiatômicas e triatômicas.

Na Grécia, o conceitodos quatro elementosse origina de diferentesfilósofos, os mais famosos sãoThales de Miletos (630-550 a.c.)e Empedocles (483-430 a.c.).

Thales Empedocles


450 a.C. - Leucípo de Miletos e seu pupilo,Demócrito de Abdera:A matéria pode se dividir em partículascada vez menores até atingir uma partícula fundamental, minúscula e indivisível.Demócrito é considerado o pai doatomismo grego.

Epícuro de Samos (342-271 a.c.):Para Epícuro os átomos eram indivisíveis,invisíveis e indestrutíveis, e eram diferentesem tamanho, forma e peso. Acreditavatambém no vazio, uma vez que os átomosnão poderiam se mover sem o vazio.


350 a.C. - Aristóteles:A descontinuidade da matéria:os quatro elementosfundamentais(a água, o fogo, o ar e a terra).Apesar de errado, o conceitoaristotélico de matéria,juntamente com toda a suafilosofia, foi aceito oficialmentedurante mais de 2000 anos.Nesse período, apenas algunsalquimistas aceitavam aexistência de elementosbásicos.


- A alquímia nasce on Egito onde sacerdotes iniciam o estudo de operações alquímicas(dissolução, sublimação, etc.).- Escritos gregos salvos, da desintegração do império Romano, na Síria e Pérsia. Tradução para o Árabe. No El andaluz tradução do árabe do livro das composições alquímicas em 1144.- Os alquímicos árabes adicionammercúrio e enxofre aos quatro elementos.O grande alquímico Paracelsus consideratambém o sal como elemento (1493-1541).- Quase nenhuma referência aos átomosfoi feita pelos alquímicos em seus escritos.


- No começo do séc. XV de Rerum Naturaé redescoberto e os conceitos de átomo evazio de Épicuro são reintroduzidos nomundo Ocidental e se espalham pelaEuropa.

- Para Giordano Bruno (1548-1600)átomos tinham aspectos físicos emetafísicos: átomos são as substânciasúltimas do mundo e das suas combina-ções deriva o mundo material (inclusoos quatro elementos aristotélicos).

- Galileo Galilei (1564-1642), tambémperseguido pela Igreja, foi um atomista.

Giordano Bruno

Galileo Galilei


- Sir Francis Bacon(1561-1626),Pierre Gassendi(1592-1655) eRené Descartes(1595-1650)não acreditavam no vazio- movimento criado por Deus.

- Sir Isaac Newton (1642-1727),físico e alquimista, estava deacordo com o atomismo epicurista,incluso a ideia do vazio.


1661 - Robert BoyleAutor do livro Sceptical chemist, no qualdefendeu o atomismo e deu o primeiroconceito de elemento com baseexperimental.

1775 - Antoine-Laurent Lavoisier- Descoberta do Oxigênio- Lei de Conservação da massa:“Na natureza nada se cria, nada se perde.Tudo se transforma”Exemplo: Magnésio + Oxigênio → Óxido de Magnésio2,4 g + 1,6 g → 4gPosteriormente, a partir de 1750, diversos gasescomeçaram a ser isolados e identificados(CO

2, H

2, N

2, ...).

Antoine-Laurent Lavoisier

Tabela das substâncias simples(1789) no “Traité élémentaire deChimie, presenté dans un ordrenouveau at d’apres les découvertesmodernes”Lavoisier não considera os quatroelementos aristótelicos (terra, água,fogo e ar), nem os três príncipios deParacelsus (mercúrio, enxofre e sal).Apesar de considerar o calórico,Lavoisier pontua que os elementossão compostos de átomos apesarde nada se saber sobre eles. Inícioda Química como Ciência moderna.

Cronologia

Joseph louis Proust (1754-1826) Lei de Proust ouLei das proporções constantes (1799):"Uma substância pura, qualquer queseja sua origem é sempre formada pelamesma composição de massa"ou " A proporção das massas que reagemé sempre constante."Exemplo: Experiência Carbono + Oxigênio -> Gás CarbônicoSe utilizarmos 3 g de carbono, a quantidade necessária de oxigênio será 8 g, ou seja, a proporção entre carbono e oxigênio deve ser a mesma: 3:8.

John Dalton: Teoria Atômica

1803/08(?) - John Dalton Primeiro modelo atômico com base experimental.“Modelo da bola de bilhar”

O átomo é uma partícula maciça e indivisível.

Uma molécula é um grupo de átomos ligados uns aos outros.

1803 John Dalton estabelece uma base científica para a hipótese atomística com sua lei da composição constante: “Dois elementos (A e B) que formam uma série de componentescombinam-se numa razão depequenos números inteiros.”

John Dalton: Teoria Atômica

"As diferentes massas de um elemento, que reagem com a massa fixa de outro elemento para formar compostos distintos, em cada caso, estão, numa relação de números inteiros e geralmente simples, entre si". "Quando dois elementos se combinam para formar compostos mantendo-se constante a massa de um deles, as massas do outro variam segundo números inteiros e pequenos.”

Exemplo: O nitrogênio se combina com o oxigênio, formando diferentes óxidos:Verifica-se que,permanecendo constantea massa do nitrogênio,as massas do oxigênio,entre si, numa relaçãosimples de números inteiros e pequenos, ou seja, 1:2:3:4:5.

Lei de Dalton ou das proporções múltiplas (1804)

Óxidos Nitrogênio Oxigênio

N2O 28 g 16 g

N2O

228 g 32 g

N2O

328 g 48 g

N2O

428 g 64 g

N2O

528 g 80 g

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A primeira Teoria atômica (~1808)

- Todo elemento químico é composto por átomos.

- Todos os átomos de um mesmo elemento apresentam as mesmas propriedades.

- Átomos de diferentes elementos químicos apresentam propriedades químicas diferentes.

- Durante uma reação química, nenhum átomo de determinado elemento desaparece ou se transforma em átomo de outro elemento (explica a Lei de Lavoisier).

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A primeira Teoria atômica (~1808)

- Lei da composição constante: Compostos são formados pela combinação de átomos de dois ou mais elementos. Em um determinado composto, os números relativos de átomos de um certo tipo são definidos constantes. De um modo geral, esses números relativos podem ser expresso como números inteiros ou frações simples (explica a Lei de Proust).- Quando dois elementos se unem para formar uma terceira substância, presume-se que apenas um átomo de um elemento se combine com um átomo do outro elemento.

O modelo vingou até 1897.

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Jöns Jakob Berzelius: Massas Atômicas

Determinou os pesos atômicos de cercade 43 elementos, entre os quais o cálcio,o bário, o estrôncio, o silício, o titânio eo zircônio. Também descobriu oselementos, selênio, tório e césio.Seu trabalho forneceu os fundamentosexperimentais para a determinação dasmassas relativas dos átomos,fundamentando as leis ponderais daquímica.Na determinação das massas atómicas, Berzelius tomou o oxigênio como base de referência (peso 100) edeterminou a massa atômica dos demais elementos emrelação áquele. Os resultados foram publicados em 1818 numa tabela de massas atômicas de 42 elementos.

Jöns Jakob Berzelius(1779-1848)

Lei Volumétrica das Reações Químicas

Gay-Lussac em 1808 descobriu a leidas combinações volumétricas.Lei de Gay-Lussac: Os volumes degases que participam de uma reaçãoquímica, medidos nas mesmascondições de pressão e temperatura,guardam entre si uma relaçãoconstante que pode ser expressaatravés de números inteiros.

ex.: 1l (H2) + 1l (Cl

2) → 2l (HCl)

Louis Joseph Gay-Lussac(1778-1850)

Hipótese de Avogadro

Amedeo Avogadro(1776-1856)

- Na tentativa de explicar a lei volumétricade Gay-Lussac, Amadeo Avogadro propôsque amostras de gases diferentes,ocupando o mesmo volume e submetidasàs mesmas condições de pressão etemperatura, são formadas pelo mesmonúmero de átomos ou moléculas.Ou seja: a relação entre os volumes dosgases que reagem e que são formadosnuma reação é a mesma relação entre o número de moléculas participantes.

Hipótese de Avogadro

exemplo:hidrogênio + oxigênio → Vapor d’água

hidrogênio oxigênio vapor d'águaDados experimentais 2 vol. 1 vol. 2 vol.Hipótese de Avogadro 2 x moléculas 1 x moléculas 2 x moléculas

Dividido por x 2 moléculas 1 molécula 2 moléculas

Amedeo Avogadro(1776-1856)

Atomismo Físico x Atomismo Químico

O atomismo químico foi relativamenteconsiderado sem controvérsia como umaconstrução hipotética baseada empremissas estequiométricas e apenasexistia divergência entre os valores dasmassas.Mas o atomismo físico era controverso,e se tentou impugnar sua validade comoevidência da realidade física.

“A Química está fora dos trilhos, os químicos estãodesobedecendo a premissa fundamental de Lavoisier em sua revolução química: a Química tem que se basear em fatos, em evidências experimentais e não em especulações”.

Benjamin Collins Brodie(1817-1880)

Defensores do Atomismo

Ludwig Boltzmann (1844-1906) Walter Nernst (1864-1941) Max Planck (1858-1947)

Johannes Wislicenus (1835-1902) Viktor Meyer (1848-1897)

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Capinateados por Ostwald postulavam a prevalência da energia frente à matéria, ou de outra forma, das leis da termodinâmica como forma de explicar os fenômenos químicos.

Argumentavam que as transformações eram apenas mudanças de energias e as diferenças entre elementos e entre outras substâncias era devido a estados energéticos diferentes.

Detratores do Atomismo

Wilhelm Ostwald(1853-1932) Georg Helm (1851-1923) Frantisek Wald (1858-1947)

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Apesar da controvérsia boa parte da comunidade química, principalmente ligada com a química orgânica, continuou trabalhando com a teoria atômico-molecular. Afinal, a teoria energética não ofereceu qualquer explicação satisfatória para a lei periódica, valência, teoria estrutural em química orgânica, ou para os pesos atômicos.Entretanto, Ostwald persistiu, dando uma defesa convincente de sua teoria energética na London Chemical Society em 1904. Lá, ele argumentou que as leis estequiométricas eram todas dedutíveis da termodinâmica, portanto, uma hipótese atômica era desnecessária.

Detratores do Atomismo

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Karlsruher Kongress 1860: congresso organizado por Friedrich August Kekulé von Stradonitz, Carl Weltzien e Charles Adolphe Wurtz.

primeiro encontro internacional da química

- Várias teorias de estrutura e confusão nos valores das massas atômicas.

- Normatização das estruturas e uso da hipótese de Avogadro

Congresso de Karlsruhe (1860)

Stanislao Cannizzarro(1826-1910)

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1858: dois artigos (Kekulé escreveu oprimeiro e Couper escreveu o segundo)lançam as bases da teoria estrutural daquímica orgânica.- Ideias centrais:1) a ideia do carbono tetravalente2) o conceito de catenação, ou seja, átomos de carbono podem formar cadeias- Além disso, em ambos os artigos, pela primeira vez, continham a ideia de que as propriedades dos compostos dependia das propriedades e arranjos de seus átomos.

Estrutura Física x Estrutura Química

August Kekulé (1829-1896)

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Aleksandr MikhailovichButlerow (1828-1886)

Butlerow (1828-1886) faz um refinamentoda teoria da estrutura química (1859-1870).

- Kekulé, Couper e Butlerow enfatizamque as estruturas que escreviam nãotinham significado físico, mas apenasuma possível representação das afinidadesquímicas.

- De certa forma, a distinção entreestrutura física e química foi uma formade amenizar a forte crítica que havia na época emrelação às novas ideias estruturais e assim tornavamestes conceitos mais palatáveis para uma audiência maior de químicos.

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Aleksandr MikhailovichButlerow (1828-1886)

Butlerow (1828-1886) publica seu primeiroartigo sobre a teoria estrutural em 1861 nojornal Zeitschrift für Chemie editado porEmil Erlenmeyer (1825-1909).

- “A bem conhecida regra de que aspropriedades de uma molécula depende dasua natureza, da quantidade e do arranjo deseus constitutintes elementares pode seralterado para:A natureza química de uma molécula depende da natureza e quantidade de seus constituintes elementares e de sua estrutura química”

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Alexander Crum Brown (1838-1922) publicou seu primeiro artigo sobre a teoria estrutural em 1861 no jornal Zeitschrift für Chemie editado por Emil Erlenmeyer (1825-1909).

Investigou a estrutura de moléculas.


Alexander Crum Brown (1838-1922)

molécula de etanol (C2H

6O

ou CH3CH

2OH ou C

2H

5OH)

desenhada por Crum Brown

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O movimento que levou para um significado físico das representações estruturais foi dado por Pasteur. Pasteur em 1860 sugere que uma mesma substância com rotações opostas estão relacionadas como um objeto e sua imagem no espelho.

Estrutura Física se transformaem Estrutura Química

Louis Pasteur (1822-1895)

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Estrutura Física se transformaem Estrutura Química

Johannes Wislicenus(1835-1902)

Jacobus Henricus van’tHoff (1852-1911) Joseph Achille Le Bel

(1847-1930)

Wislicenus sugere que as diferenças entreestereoisômeros é devido ao arranjotridimensional dos átomos.

O conceito de carbono tetraédrico foiintroduzido em 1862, mas apenas 1874os químicos van’t Hoff (1852-1911) eLe Bel (1847-1930) concluiram queas estruturas químicas tinhamsignificado físico, ou em outraspalavras as duas tinham o mesmosignificado.

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É notável que, no espaço de menos de duas décadas, a teoria estrutural da química orgânica mudou muito, no início considerava que a estrutura química era separada e distinta da estrutura física da molécula, e representava apenas as "afinidades" dos átomos dentro da molécula, até o ponto onde essas mesmas fórmulaspassaram a ser vistas como representações das localizações físicas reais dos átomos na molécula.O que foi deixado sem explicação no final do século XIX, foi uma descrição exata do que as "afinidades químicas" dos átomos que compõem as moléculas eram. A resposta para este problema teria que aguardar o novo século, e o desenvolvimento de teorias modernas do átomo e da ligação química.

Estrutura Física = Estrutura Química

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Elemento QuímicoConjunto de átomos que possuem mesmo número de prótons em seu núcleo, ou seja, o mesmo número atômico (Z). A carga elétrica do núcleo é +Ze.Cada elemento tem seu siglo ou símbolo, por exemplo:Z = 1: Hidrogênio (o núcleo de um átomo de hidrogênio possui 1 próton), símbolo HZ = 2: Hélio (o núcleo de um átomo de hélio possui 2 prótons), símbolo Heetc.

Dessa forma, o número atômico é característico de cada elemento químico, sendo como seu número de identificação.

Um átomo néutro do elemento com número atômico Z contém também Z elétrons, tal que sua carga elétrica total é +Ze + Z(-e) = 0.

Os Elementos

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Os Elementos

36C6

12 Cl17

35Fe26

56

Elemento A Z N no. p+ no. e-

Carbono (C) 12 6 6 6 6

Ferro (Fe) 56 26 30 26 26

Cloro (Cl) 35 17 18 17 17

Representação de um Elemento QuímicoAX ou AX (às vezes

ZXA, mas isto pode causar confusão com o

número de carga => próximo slide)De acordo com a IUPAC (União Internacional de Química Pura e Aplicada), devemos indicar o símbolo do elemento químico, X, e junto a ele, o número de massa, A, que é o número total de núcleons (prótons e néutrons). Colocar o número atômico Z é opcional, já que o Z já é dado pelo símbolo do elemento.Obviamente, o número de nêutrons é N = A - Z.

Exemplos

Os Elementos

Z

( )( )( )

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ÍonsÁtomos que possuem números diferentes de prótons e elétrons, i.e. que perderam ou ganharam elétrons, têm número de carga total Q = Z - no. e- ≠ 0, ou seja, uma carga total de Qe. e são chamados íons. Íons com carga positiva, Q > 0, são chamados cátions, e íons com carga negativa, Q < 0, ânions.Se coloca o Q+ ou Q vezes o símbolo “+” para cátions, respectivamente |Q|- ou |Q| vezes o símbolo “-” para ânions em superscrito à direita do símbolo do elemento:

AX|Q|± (ou X|Q|±, quando o número de massa não interessa)

No caso de cátions ainda há a notação X seguido por um número romano (I, II, III, IV, etc.), que equivale a Q + 1.XI é, então, X néutro, XII é X ionizado (faltando um elétron),XIII é X duplamente ionizado (faltando dois elétrons), etc.

Os Elementos

(Z)

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ÍonsExemplos

O cátion “berílio que perdeu dois elétrons”, ou “berílio duplamente ionizado”:(8)Be2+ ou (8)Be++ ou (8)BeIII

O ânion “oxigênio que ganhou dois elétrons”:

(16)O2- ou (16)O--

Os Elementos

(4)

(8)

(4) (4)

(8)

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Elementos IsótoposElementos químicos com os mesmos números atômicos,porém com números de massa diferentes(pois possuem diferentes números de nêutrons).Uma notação alternativa a AX é nome do elemento-A ou X-A.

ExemplosOs isótopos de carbono que ocorrem na natureza:

*C-14 é instável, mas tem tempo de vida muito longo, de 8270 anos, tal que ele ocorre na natureza, sim.

Os isótopos “hidrogênio mais um néutron” e “hidrogênio mais dois néutrons” têm nomes próprios: H-2 = D (deutério), H-3 = T (trítio)

Os Elementos

Isótopo Z no. p+ N A12C ou C-12 ou carbono-12 6 6 6 1213C ou C-13 ou carbono-13 6 6 7 1314C ou C-14 ou carbono-14* 6 6 8 14

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Elementos IsóbarosElementos químicos com os mesmos números de massa,porém com números atômicos diferentes.

Exemplo

Os Elementos

Isótopo Z no. p+ N A40Ca ou Ca-40 ou cálcio-40 20 20 20 4040K ou K-40 ou potássio-40 19 19 21 40

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Elementos IsótonosElementos químicos com os mesmos números de néutrons, porém com números atômicos e números de massa diferentes.

Exemplo

Os Elementos

Isótopo Z no. p+ N A40Ca ou Ca-40 ou cálcio-40 20 20 20 4039K ou K-39 ou potássio-39 19 19 20 39

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Elementos IsoeletrônicosElementos químicos com os mesmos números de elétrons.

Exemplo

Os Elementos

Nome Z no. p+ N A no. e-

Na+ 11 11 12 23 10

O2- 8 8 8 16 10

Ne 10 10 10 20 10

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FIM pra hoje

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